波罗的海浮游细菌维生素B1获取策略的季节性转录动态及其对食物网传递的生态启示

本研究针对海洋维生素B1(thiamin)生物利用度的季节性调控机制问题，通过宏转录组学分析揭示了波罗的海浮游细菌B1合成、补救和摄取策略的时空分异规律。发现夏季蓝藻（Nostocales）主导HMP合成，而异养菌（如Pelagibacterales）主要依赖前体摄取，表明微生物间存在B1代谢功能分区。该研究为理解全球变化背景下蓝藻水华对维生素食物网传递的影响提供了机制性见解。

　　

在浩瀚的海洋中，一种看似微不足道的微量营养素——维生素B₁（thiamin，又称硫胺素），却扮演着生命线的重要角色。作为羧化酶和转酮醇酶的辅酶，它催化着三羧酸循环（TCA cycle）和卡尔文循环（Calvin cycle）的关键反应，并参与氨基酸合成和碳代谢过程。尽管所有生物都需要B₁，但只有少数微生物能够合成这种必需维生素，这意味着海洋中绝大多数生物都需要从外界获取它，从而形成了复杂的食物网互赖关系。

令人担忧的是，海洋中溶解态B₁的浓度极低（皮摩尔水平），且周转速率极快。已有研究表明，B₁的供需失衡会导致细菌和浮游植物的生长受限，甚至引发水生动物的大规模繁殖失败。在波罗的海，被称为"M74"的硫胺素缺乏症就曾导致鲑鱼和水禽的繁殖危机。更令人困惑的是，尽管夏季蓝藻水华含有丰富的B₁，但其向桡足类的传递效率却最低——这种季节性的解耦现象背后隐藏着怎样的微生物机制？

为了解开这个谜团，由Clara Pérez-Martínez和Jarone Pinhasi领导的研究团队开展了一项为期两年的深入研究。他们在波罗的海的林奈微生物观测站（Linnaeus Microbial Observatory, LMO）进行了33个时间点的采样，通过宏基因组学和宏转录组学分析，揭示了浮游细菌维生素B₁获取策略的季节性转录动态。这项研究最近发表在《Environmental Microbiome》上，为我们理解海洋维生素循环提供了新的视角。

研究人员采用了综合性的多组学方法：通过CTD剖面仪监测水体理化参数；使用Ruttner采水器采集海水样本；利用Sterivex过滤器进行DNA和RNA的收集；通过酚-氯仿法和RNeasy试剂盒提取核酸；使用Illumina HiSeq 2500和NovaSeq 6000平台进行测序；借助BARM数据库进行序列比对和注释；采用HMMER软件进行功能注释；最后通过非度量多维标度（nMDS）和PERMANOVA等统计方法分析数据。这些技术的综合运用使得研究人员能够从基因潜在能力和实际表达两个层面全面解析B₁代谢的动态特征。

季节性的环境与微生物变量变化

研究显示，波罗的海呈现出典型的温带季节性模式：温度变化范围2.8-18.8°C；硝酸盐在10月至次年3月浓度最高（达2.38μM），4月迅速下降至0.06-0.30μM；磷酸盐冬季浓度最高（达1.01μM），7-8月降至约0.12μM。叶绿素a浓度在两年中都显示了明显的春季和夏季峰值，细菌丰度在冬季最低（约3.8×10⁵ cells/mL），6月末迅速增加至超过2.0×10⁶ cells/mL并持续到10月。

浮游细菌群落维生素B₁表达与基因丰度的季节性

B₁代谢的转录投入平均占浮游细菌群落总基因表达的0.08%，其中合成占52%，补救占15%，摄取占33%。所有通路都显示出明显的时间变异性，大多数B₁相关基因在夏季呈现表达高峰，冬季表达较低。合成标志基因中，THZ合成的thiG（噻唑合酶）和B₁合成的thiE（硫胺素磷酸合酶）转录水平耦合，夏季分别达到245和301 tpm（transcripts per million），而HMP合成基因thiC（磷酸甲基嘧啶合酶）最高达到105 tpm。HMP补救基因tenA（氨基嘧啶氨基水解酶）夏季峰值达156 tpm，与thiG和thiE基因模式相似，而THZ补救基因thiM（羟乙基噻唑激酶）表达始终较低（最高12 tpm）。

B₁基因的分类分布

Alphaproteobacteria在B₁代谢中的转录投入占比高达42%，约是其基于总群落转录比例预期的两倍。Cyanobacteria占B₁代谢转录的19%，在大多数样本中主导合成转录，但其在B₁转录上的投入低于其总转录预期。Gammaproteobacteria占B₁转录的11%，Betaproteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria各贡献约3-4%的B₁转录。Verrucomicrobia在B₁上的投入（3.4%）显著高于其总群落转录。

活跃的浮游细菌维生素B₁转录

表达比率（metatranscriptome相对丰度与metagenome相对丰度之比）分析显示，大多数研究基因在metatranscriptome中的相对贡献低于metagenome中的相应贡献。但Nostocales脱颖而出，所有合成基因的比率都高于1。不同基因的表达比率表现出不同的时间动态，表明B₁获取策略的性能存在季节性变化。

研究结论与讨论部分强调了几个关键发现：季节性和环境条件的变化显著影响了B₁及其前体的可用性，从而改变了浮游细菌种群作为维生素提供者或消费者的状态。B₁相关基因表达模式与温度和细菌丰度呈正相关，与无机营养物质呈负相关。夏季浮游细菌更加丰富和活跃，推动了这些相关性。

研究特别突出了Nostocales（念珠藻目）在夏季维持B₁生产中的关键作用。这些丝状蓝藻在波罗的海夏季丰富，它们的高thiC表达水平可能补偿了微生物群落中HMP合成基因的表观缺陷。这与开放海洋环境中其他丝状蓝藻（如Trichodesmium）作为HMP合成关键贡献者的发现一致。

另一方面，Pelagibacterales（浮霉菌目）作为主要的B₁消费者，表现出稳定的ThiPerm转运蛋白表达和高tenA转录水平，表明其对外源B₁的依赖和HMP补救的重要性。这种策略使Pelagibacter细胞能够避免完整维生素B₁合成的成本。

这些发现对理解全球变化下的海洋生态系统具有深远意义。随着富营养化和全球变暖导致丝状蓝藻水华频率和规模增加，温度和无机营养动态的变化可能会影响蓝藻和其他B₁生产者的种群动态和B₁转录，从而对上层食物网中的B₁生产和生物利用度产生实质性影响。

该研究通过揭示不同细菌类群表达的B₁获取策略的复杂动态，展示了基因组潜力、群落组成和转录投入之间在决定B₁代谢方面的复杂相互作用。这不仅增进了我们对海洋维生素循环机制的理解，也为预测全球变化背景下水生生态系统的功能响应提供了重要的科学基础。